芯片级变压器隔离技术护体数位电源运作更可靠.docx

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芯片级变压器隔离技术护体数位电源运作更可靠

芯片级变压器隔离技术护体　数位电源运作更可靠

【大比特导读】工业、电信及医疗应用所使用的电路板，通常整合数位控制电源转换器，若未做好I2C或PMBus汇流排隔离，易产生电源突波和栓锁问题。

新型晶片级变压器隔离技术，可较传统光耦合器实现更低成本、高整合度且高性能的隔离设计，确保数位电源有效运作。

工业、电信及医疗应用所使用的电路板，通常整合数位控制电源转换器，若未做好I2C或PMBus汇流排隔离，易产生电源突波和栓锁问题。

新型晶片级变压器隔离技术，可较传统光耦合器实现更低成本、高整合度且高性能的隔离设计，确保数位电源有效运作。

工业、量测设备、电信以及医疗应用的关键要求，是需要一个可靠的介面来传输资料。

I2C汇流排是一种双线制双向汇流排，用于晶片之间的低速、短距离通讯（图1）。

I2C是由飞利浦（Philips）公司于1980年代早期为单片电路板上的IC所开发，其应用领域依然不断成长。

电源管理汇流排（PMBus）则是一种速度相对较慢的双线式通讯协定，该协定系基于I2C，可针对电源进行数位管理。

PMBus协定定义了数位电源管理协定的开放标准，能为电源转换器或连接的其他元件通讯提升便利性。

图1　I2C提供电流隔离介面。

数位电源通讯介面复杂　隔离设计备受挑战

电信应用中使用的印刷电路板（PCB）通常整合数位控制电源转换器以及工作在不同地电位的电路。

为确保卡片插入/移除操作过程中不会出现差错，以及保持可靠的工作性能，必须隔离每一个介面;但I2C介面隔离很复杂，因为汇流排是双向的。

光耦合器就无法满足这样的要求，因为它是单向的。

图2为PMBus通讯链路应用示意图，该链路可将一次侧（Primary-side）上的-48伏特（V）热插拔控制器，以及数位电源监控器与二次侧（Secondary-side）相隔离;其中的双通道I2C隔离器整合直流对直流（DC-DC）转换器，可隔离串列资料线（SDA）和串列时脉线（SCL）讯号，其隔离电源可为双通道数位隔离器供电，后者可用来隔离“关闭”和“重新启动”讯号。

图2　典型的隔离式PMBus通讯链路

由于在低压域中，一次侧参考电压为-48V而二次侧参考电压接地，因此须进行隔离。

如果I2C埠不小心直接连接-48V电源，那么隔离元件可以防止元件永久性受损。

隔离元件还能提供针对线路突波或接地回路产生的高压或电流的保护--系统有多重接地时便可能会发生这种情况。

隔离电源通道（3.3V_ISO）允许二次侧为一次侧供电，毋须另行使用低压电源--这种低压电源在-48V电源域中不常见，且难以生成。

跨越隔离屏障的额外I/O信号，都须要使用同样由数位电源供电的隔离器。

为实现强固的资料通讯链路，连接I2C汇流排的每个I2C元件都必须隔离。

隔离式I2C应用X例有：

.I2C、SMBus或PMBus介面隔离

.用于电源的位准转换I2C介面

.网路

.乙太网供电（PoE）

.中央交换器

.电信与资料通讯设备

.隔离资料撷取系统

.-48V分散式电源系统

.-48V电源模组

这些应用通常须通过I2C汇流排并跨越隔离屏障传输精密转换器资料（ADC或DAC）。

图3显示两个隔离资料撷取系统。

这些应用还须要隔离式电源来为二次侧的转换器和放大器供电。

图3　（a）隔离式I2CADC与放大器;（b）隔离式I2CDAC与放大器

某些应用要求通道间隔离，其中每条通道都与其他所有通道隔离，如图4所示。

图4　通道间隔离I2CADC与放大器

在较为庞大的系统中，不同的电压域之间须要进行位准转换。

有个例子便是在电信机架式系统中的每个线路卡上隔离PMBus。

图5是一款典型的电信应用，具有多个线路卡，可插入到-48V背板中。

本应用中，隔离器对I2C逻辑讯号进行位准转换操作，将其从-48V背板转换为完全隔离式12V系统。

图5　-48V应用中的PMBus讯号隔离与位准转换

实现隔离式I2C介面

双向资料必须在一次侧智慧元件（比如ADC或DAC）与二次侧处理器之间传输，并且电源必须从一次侧传输至二次侧。

如须隔离资料连结，就必须同时隔离资料线路和电源。

所有连接I2C链路的元件都必须与I2C汇流排隔离，如图6所示。

图6　隔离式I2C介面

隔离式I2C介面挑战

由于I2C介面是双向的，进行隔离的同时避免汇流排突波和栓锁将有一定难度。

图7是一个基于光耦合器的介面。

光耦合器是单向的，因此每条双向I2C线路必须分割为两条单向线路。

隔离一个完整的I2C介面须要用到四个光耦合器和几个被动元件。

由此产生的成本、PCB面积以及复杂性，使简单的低成本双线式I2C介面本身价值受到影响。

注意，此外还需要一个隔离式电源。

图7　基于光耦合器的I2C介面

单晶片缩减成本/简化设计　数位隔离器技压光耦合器方案

图8比较了两种主要的隔离技术。

iCoupler技术（图8a）使用厚膜制程技术构建微型变压器元件，实现2.5kV隔离。

较古老但广泛采用的光耦合器解决方案（图8b）则采用发光二级体（LED）和光电二极体。

LED用于将电讯号转换为光，光电二极体则用于将光转换回电讯号。

电光转换本身的低转换效率导致功耗相对较高;光电二极体的慢速回应则限制其速度;而老化问题会限制其使用寿命。

图8　隔离技术比较;（a）iCoupler隔离;（b）光耦合器隔离

透过使用晶圆级制程制造内建变压器元件，因此iCoupler通道能以较低的成本相互整合，以及与其他半导体功能整合。

有个例子便是整合DC-DC转换器的热插拔双通道I2C隔离器。

iCoupler隔离技术在很多方面克服了光耦合器所造成的限制：

这些易于使用的元件缩小整体解决方案尺寸、系统成本和功耗，同时提升了性能和可靠性。

此外，采用iCoupler技术，则性能不会因为电流传输比（CTR）而下降--标准光耦合器的CTR会随着时间推移而老化--并且iCoupler是双向技术，而光耦合器技术是固有单向技术。

不久前，在隔离端创建一个低压电源尚须使用相对较大且昂贵的独立DC-DC转换器，或者须采用定制的分离式电路。

这些方法是仅有的替代方案，哪怕对于I2C资料通讯或其他只需少量隔离式电源的应用亦是如此。

为了解决这一问题，已有厂商开发出完整的全整合式解决方案，利用微变压器跨越隔离屏障实现讯号和电源传输。

这是iCoupler技术的延伸，是一种突破性的替代方案，称为isoPower。

该方案可利用单个元件实现高达5kV的讯号与电源隔离，毋须使用隔离式电源，大幅缩小典型I2C汇流排的PCB面积、缩短设计阶段并降低总系统成本。

整合DC-DC转换器　双通道I2C隔离器设计优势多

将使用分离元件的PMBus隔离解决方案与完全整合式解决方案进行比较后发现，分离式方案须要使用四个光耦合器进行隔离、一个隔离式电源以及复杂的类比电路来防止栓锁并抑制突波。

隔离式电源采用变压器驱动器IC来驱动分离式变压器，并与简单的整流器和低压差稳压器配合，净化隔离供电轨。

该设计需要八个IC和多个被动元件，导致介面成本上升、PCB面积增加、可靠性下降。

整合式解决方案采用单个IC，搭配所有I2C介面都会配备的去耦电容以及上拉电阻后，可提供完全隔离的双向I2C介面与隔离电源。

该数位电源隔离器不会产生任何突波和栓锁问题，并提供双向隔离式资料与时脉线路和隔离式电源，无光耦合器的尺寸、成本和复杂性问题。

该单晶片解决方案能够显着缩减隔离式I2C介面所需的成本、设计阶段和PCB面积，同时提升可靠性。

该产品毋须修改即可采用3.3?

5V电源供电，避免采用分离式设计时所必需的设计变更，同时提供150毫瓦（mW）输出功率（5V）或65mW输出功率（3.3V），可用来上电ADC、DAC或隔离端的其他小系统。

为了让隔离式介面能够在工业应用等恶劣工作条件下运行，iCoupler和isoPower隔离技术提供高于25kV/s的共模暂态抗扰度。

它确定一次侧和隔离端之间电位差上升沿和下降沿上的最大回转率，确保耦合到汇流排的暂态讯号不会损坏连接汇流排的元件或破坏已传输的资料，同时增强资料连结可靠性。

该隔离解决方案的元件一次侧与隔离端之间隔离额定值为2.5kVrms。

此隔离额定值保证电流无法从一次侧流入I2C汇流排，并且耦合至汇流排的电压或暂态讯号不会到达逻辑端。

2.5kV隔离保护还意味着，可以保护逻辑端的使用者与设备不受汇流排端的高电压或暂态影响。

进行正确的PCB布局对于确保在实际设计中实现2.5kV的额定隔离性能至关重要。

主要考虑因素是逻辑端和汇流排端之间的爬电距离（导线表面之间沿壳体的最短距离）和电气间隙（最短空气距离）。

数位隔离器的逻辑介面不需要外部电路。

输入和输出供电引脚需要电源旁路。

工业与量测仪器设备、电信和医疗应用中的隔离式I2C/PMBus链路解决方案要求做到尺寸小、性能稳定、价格适中。

透过整合晶片级变压器隔离，单晶片可实现完全隔离式I2C/PMBus资料连结，并包含隔离式电源。

热插拔、双通道I2C隔离器整合DC-DC转换器，为整合型、可靠、低成本、高性能解决方案，可用于上述标准严苛的应用中，并显着减少电路复杂程度，大幅缩短设计阶段。